Commutateur audio MOSFET

Dans la pratique des radioamateurs, nous rencontrons souvent le besoin d'une gestion efficace du chemin audio, notamment lors de la transition entre la réception (RX) et la transmission (TX). L'un des effets secondaires les plus ennuyeux lors de la manipulation de l'audio en temps réel sont les transitoires indésirables, qui apparaissent dans le casque ou le haut-parleur sous la forme d'un pop désagréable, « pop ». Ils peuvent également présenter un risque pour l'audition de l'opérateur.

La solution à ce problème est un commutateur audio électronique avec des constantes de temps définies, qui assurera la déconnexion immédiate du signal pendant l'émission et sa connexion progressive et fluide lors du retour à la réception. Dans l'article suivant, nous discuterons en détail de la connexion utilisant des transistors MOSFET abordables, conçue à cet effet.

Pourquoi choisir MOSFET au lieu du relais ?

La manière traditionnelle de commuter l’audio dans les équipements radioamateurs était autrefois un relais mécanique. Bien que le relais offre une excellente isolation à l’état ouvert et une résistance quasi nulle à l’état fermé, il présente plusieurs inconvénients majeurs. Le premier est l’usure mécanique et la vitesse de commutation limitée. Le deuxième, et plus critique pour l'audio, est l'incapacité d'influencer les fronts montant et descendant du signal commuté. Soit le relais a un contact, soit il n'en a pas.

Les commutateurs électroniques à semi-conducteurs, à savoir les MOSFET, nous permettent de travailler avec ce que l'on appelle les constantes de temps. Avec eux, nous pouvons ouvrir le commutateur (couper le son) en microsecondes, mais le fermer (restaurer l'audio) en millisecondes. Cette forme d'onde asymétrique est la clé pour éliminer les chocs acoustiques.

Architecture des circuits et élimination des diodes parasites

La base de la connexion présentée est constituée de deux transistors MOSFET à canal N de type 2N7000 (marqués Q1 et Q2). Ces transistors constituent un excellent choix pour la commutation analogique car ils ont une faible résistance à l'état passant et peuvent conduire un signal dans les deux sens quelle que soit sa polarité, ce qui est essentiel pour un signal audio CA.

Cependant, lors de la conception d'un commutateur audio à semi-conducteur, nous devons prendre en compte une partie intégrante de la structure de chaque MOSFET - la diode dite parasite (diode corporelle). Cette diode est connectée entre le substrat et le drain. Si l'on utilisait un seul transistor, cette diode commencerait à conduire un courant électrique dès que l'amplitude du signal audio dépassait sa tension de seuil (environ 0,6 V). Cela signifierait que même lorsque l'interrupteur est censé être désactivé, les crêtes du signal le plus fort le traverseraient, provoquant une distorsion et une sourdine imparfaite.

La solution que ce circuit utilise également est la connexion de deux MOSFET en série, dos à dos. Dans une telle configuration, leurs diodes parasites sont connectées en sens inverse. Quelle que soit la polarité du signal audio, l'une des diodes sera toujours dans le sens de fermeture, bloquant ainsi le passage du signal à l'état inactif.

Principe de fonctionnement et constantes de temps

Le cœur de la partie commande est constitué de la résistance R1 (100 kΩ), du condensateur C1 (3,3 µF) et de la diode D1 (1N4148). L'ensemble du processus est contrôlé par le signal RX_5V, qui est à 5 V lors de la réception et au niveau du sol (GND) lors de la transmission.

Mode de réception (RX) – Montée en douceur

Lorsque l'appareil passe en mode réception, une tension de 5 V est appliquée à la broche de commande RX_5V. Le condensateur C1 commence à se charger via la résistance R1. Il est typique du transistor 2N7000 qu'il commence à s'ouvrir lorsque la tension sur sa grille atteint environ 2 V par rapport à l'émetteur (source).

Le temps pendant lequel la tension sur C1 atteint cette limite peut être calculé selon la formule de charge de l'élément RC. Dans ce cas particulier, il faut environ 168 millisecondes pour que la tension atteigne 2 V et que les transistors soient complètement activés. Ce temps relativement long garantira que l'audio n'apparaîtra pas immédiatement avec toute sa puissance, mais "émergera" en douceur, éliminant ainsi tous les pops après la fin de la diffusion.

Mode de transmission (TX) - Muet instantané

Au moment du passage au mode transmission, la tension sur la broche RX_5V passe à 0 V. Dans cette situation, la diode D1 s'allume. Cela permettra au condensateur C1 de se décharger presque immédiatement à la masse, en contournant la résistance haute résistance R1. Les tensions de grille de Q1 et Q2 chutent en dessous du seuil en une fraction de milliseconde, coupant le récepteur avant qu'un transitoire de l'émetteur puisse prendre effet.

Analyse d'atténuation et adaptation d'impédance d'un commutateur audio

Du point de vue de la qualité de transmission, il est important que le commutateur audio n'affecte pas le signal à l'état actif et l'isole parfaitement à l'état inactif.

À l'état passant, les transistors 2N7000 ont une résistance totale en ohms. Avec une impédance typique du trajet audio (par exemple 10 kΩ), la perte d'insertion de ce commutateur est d'environ -0,02 dB, ce qui est une valeur absolument négligeable du point de vue de l'audition humaine et des instruments de mesure. La résistance R2 (10 kΩ) sert à maintenir les transistors sources au niveau de la masse, définissant ainsi le point de fonctionnement de la grille, mais sa valeur est suffisamment élevée pour ne pas surcharger le signal audio.

A l'état déconnecté (OFF), la capacité parasite des transistors se manifeste. À une fréquence de 1 kHz, l'isolation du circuit atteint un excellent -80 dB. Aux hautes fréquences audio autour de 20 kHz, l'isolation chute légèrement jusqu'à environ -45 dB, ce qui reste bien en dessous du niveau qui serait perturbateur en fonctionnement normal.

Conclusion

Le commutateur audio MOSFET présenté est une solution élégante, peu coûteuse et très efficace au problème séculaire des booms acoustiques dans la commutation RX/TX. Grâce à la combinaison de deux transistors 2N7000 et d'une simple commande RC, nous obtenons un outil qui protège nos oreilles et notre technologie. C'est un petit détail, mais qui augmente fondamentalement le professionnalisme et le confort de chaque station de radio amateur. 

Une autre utilisation est, par exemple, lors de la commutation des signaux de plusieurs stations de radio ou entrées microphone.